殼聚糖凝膠導電聚合物電致動器的制備

吳露露 張敬偉 李函 林川 張博 葛福琛

摘 要：為了獲得雙層和三層導電聚合物電致動器，需要在不導電的的柔性聚合物上涂覆上導電物質，例如金、鉑，以確保導電聚合物的電化學沉積的高導電性[1]。在本項研究中，我們通過在石墨中摻雜聚吡咯的導電涂層替代了原先的金屬層，制備了殼聚糖凝膠導電聚合物電致動器。此外，還進行了多組單因素實驗測試并分析其對致動器的影響，找到其最佳的制備工藝，從而降低了材料的制作成本。通過實驗證明，殼聚糖凝膠導電聚合物電致動器時生物組織接口的理想候選者[2]，可應用于微傳感器和組織工程，尤其是生物醫學領域。

關鍵詞：殼聚糖;致動器;彎曲;聚吡咯

1.前言

近年來，隨著現代科技技術的發展，輕巧，微型，靈活的驅動設備已成為社會發展的重點，機電一體化，人造肌肉就是經典例子之一。與傳統人造肌肉相比，電活性聚合物（EAP）具有柔韌性好，重量輕和變形大等優點，因此備受歡迎，在電場的刺激下，EAP可快速實現尺寸和變形膨脹的變化，成為傳感器和執行器的理想選擇。

EAP主要包括電場類型和離子類型。離子型EAP由于其優越的特性而備受矚目（在相同條件下施加的電壓小，變形大，快速響應）。但是由于電場型EAP需要達到材料超高的擊穿電壓，因此這種EAP正逐漸消失。

在過去的幾十年中，IPMC由于其出色的輸出變形和響應速度在仿生機器人、微型醫療設備和水下推進方面有杰出成就。但是，電極是IPMC的致命缺陷，并且由于其在空氣中易流失水的缺點嚴重限制了IPMC的應用，這種特性導致其壽命短，導電聚合物響應速度非常慢，在工程應用上并不理想。與傳統導電聚合物和IPMC相比，離子型EAP與羰基衍生物的相容性更利于制備柔性電極，響應速度更快，制備形式更多樣化。因此在本研究中，我們提出了一種殼聚糖凝膠電制動器[2]。

2.殼聚糖凝膠導電聚合物電致動器的制備

取一定量的殼聚糖并加入一定量的2%乙酸溶液，放入燒杯中，然后將燒杯放入磁力攪拌器中在適宜溫度下的水浴中加熱攪拌若干分鐘，直到大部分殼聚糖溶解為止。然后將適量的石墨加入殼聚糖溶液中，再通過磁力攪拌器攪拌數分鐘，直到充分混合。放入超聲波清洗機中進行消泡處理若干分鐘。隨后將混合溶液澆鑄在硅膠烘烤墊3x4厘米的區域，使與硅膠接觸的薄膜表面呈現多孔形貌。然后將其置于真空干燥箱中干燥，溫度設定在適宜即可，真空度為-0.05MPa，真空干燥若干小時。取出薄膜，將其置于燒杯中，將一定濃度的摻雜酸和吡咯混合溶液攪拌充分后加入到燒杯中;一定時間后，加入一定量的過硫酸銨（APS）溶液，使吡咯氧化聚合，與殼聚糖形成互穿網絡（IPN）使其不分層，控制反應溫度及反應時間;將殼聚糖薄膜取出，用蒸餾水反復沖洗，洗去薄膜表面吸附不牢的聚吡咯。

2.1. 單因素實驗的研究

2.1.1.干燥時間的選擇

固定殼聚糖的用量為0.36g，固定乙酸用量、石墨用量、真空干燥溫度、磁力攪拌速度等變量，改變真空干燥時間分別為1h，2h，3h，4h，觀察真空干燥后殼聚糖薄膜的形貌并進行篩選，并以反映彎曲的偏轉角度大小確定最佳的殼聚糖導電聚合物。

隨著干燥時間的不斷增加，殼聚糖導電聚合物的彎曲程度先增加再減少。當干燥時間為3h時，彎曲程度達到最大。這是由于干燥時間過短時，導致膜表面仍有水分殘留或無法成膜。干燥時間過長時，會形成表面有大量的氣孔、表面缺陷多的薄膜。

2.1.2.攪拌速度的選擇

固定殼聚糖的用量為0.36g，固定乙酸用量、石墨用量、真空干燥時間、真空干燥溫度、等變量，改變磁力攪拌速度分別為10r/min、15r/min，20r/min，25r/min，30r/min，觀察真空干燥后殼聚糖薄膜的形貌并進行篩選，并以反映彎曲的偏轉角度大小確定最佳的殼聚糖導電聚合物。

隨著攪拌速度的不斷增加，殼聚糖導電聚合物的彎曲程度先增加再減少。在攪拌速度為20r/min時，彎曲程度達到最大。這是由于當攪拌速度較小時，殼聚糖未完全溶解;當攪拌速度較大時，燒杯中的轉子極度不穩定，殼聚糖也不能完全溶解，從而導致制作出來的薄膜表面形態粗糙、有開裂的現象。

3.結論

總而言之，我們研究了一種高度相容的殼聚糖基導電聚合物電致動器，該電致動器由石墨以及殼聚糖和離子液體所組成，它結合了基質的良好加工性和導電性。本文研究了干燥時間和攪拌速度對致動器的影響，結果表明，這兩個因素的變化使殼聚糖膜的偏轉角度發生了很大的變化，從而對殼聚糖凝膠導電聚合物電致動器的性能產生了深遠的影響[2]。結合實際因素，這項研究提出了生物相容性制備工藝，并得出了最佳的制備工藝條件為干燥時間為3h，攪拌速度20r/min，為仿生人工致動器領域的進一步研究提供了新思路。

參考文獻

[1] R. Kiefer，R. Temmer，T. Tamm，J. Travas-Sejdic，P.A. Kilmartin，Conducting polymer actuators formed on MWCNT and PEDOT-PSS conductive coatings，Synthetic Metals，171 69-75.

[2] G. Zhao，Z. Wang，H. Zhao，J. Yang，Investigation into the bending force performance of the Chitosan based electric actuator manufactured by freeze-drying，Materials Research Express，6（2018）.

基金項目：大學生創新創業訓練計劃項目（201910214070）

作者簡介：吳露露（1999?），女，河南省項城市人，在讀本科生，專業為食品科學與工程。